122

Тема 14 захист конструкцій ра - 1 від електромагнітної дії

Електромагнітна сумісність цифрових вузлів

Під внутрішньою електромагнітною сумісністю розуміється властивість РА і його частин (комірок, блоків, шаф, пультів) функціонувати без погіршення якісних показників при заданій всередині РА або його частин електромагнітній обстановці. Забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісності стає все більш актуальною задачею. Це пов’язано з безперервним зменшенням енергії сигналів цифрових пристроїв РА і зростання взаємного впливу елементів, через збільшення густини компоновки і складності пристроїв. На цифрові вузли можуть впливати і зовнішні перешкоди, які проникають, наприклад, по колах живлення. Для захисту від цих перешкод вживають ті ж заходи, що і для захисту від внутрішніх перешкод.

Для забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісності (ЕМС) цифрового вузла необхідно, щоб фактична перешкода була менше за допустиму. Для зручності розгляду методів забезпечення внутрішньої ЕМС цифрових вузлів РА всі електричні з'єднання можна умовно розділити на:

• електрично довгі і

• електрично короткі.

Електрично довгою називається лінія зв'язку, геометрична довжина якої співрозмірна з довжиною хвилі найбільш високочастотної складової спектру дискретного сигналу.

Електричну довжину лінії визначають із співвідношення затримки сигналу в лінії t_л і тривалості фронту імпульсу t_ф. Якщо t_л > 0,1 t_ф, то лінія вважається електрично довгою, якщо t_л< 0,1t_ф - електрічно короткою. Час розповсюдження сигналів на одиницю довжини для більшості електричних з'єднань РА складає τ_л = 4...7 нс/м. Тому при τ_л =1 нс лінія є електрично довгою вже при геометричній довжині більше 14...25 мм.

Характеристичним параметром електрично довгій лінії є хвильовий опір (Ом) , де L_л - індуктивність лінії, Гн; С_л – ємність лінії, Ф. При розповсюдженні сигналу в електрично довгій лінії, що має неоднорідність хвильового опору окремих ділянок, від цієї неоднорідності відбувається відбиття падаючого сигналу, прикладеного до початку лінії. Відбитий сигнал сумується з падаючим і спотворює його.

Як неоднорідність лінії зв'язку можуть виступати, наприклад, внутрішній опір генератора сигналів, підключеного до початку лінії, або опір навантаження в кінці лінії, не рівні хвильовому опору лінії зв'язку. Причиною неоднорідності може бути

• наявність в лінії зв'язку ділянок різного конструктивно-технологічного виконання (одиночний об'ємний провідник, друкований провідник, коаксіальний кабель, екранований провідник, контакт з'єднувача і т. д.),

• технологічний розкид хвильового опору лінії зв'язку (наприклад, через розкид товщини або діелектричної проникності ізоляції коаксіального кабелю) або розгалуження ліній.

Якщо лінія не узгоджена з одного або з двох кінців, то спотворення сигналу носять аперіодичний, або коливальний характер. Максимальна довжина неузгодженої електрично довгій лінії різна при різній довжині фронту сигналу:

l_max = 1500 мм при τ_ф = 30 нс;

l_max = 250 мм при τ_ф = 5 нс;

l_max = 15...50 мм при τ_ф = 1 нс;

Відбиття імпульсів в електрично коротких лініях не є небезпечним із-за їх малої (у порівнянні з довжиною фронту) довжини. Це визначається обмеженою смугою пропускання лінії зв’язку, а також підвищеною завадостійкістю схем при малій тривалості дії перешкоди.

Методи зменшення перешкод в електричних з'єднаннях цифрових вузлів.

Зменшення перешкод в електричних з'єднаннях цифрових вузлів РА досягається, схемотехнічними, конструкторськими і технологічними методами.

До методів схемотехніки відносяться:

1) використання елементної бази з максимальною завадостійкістю;

2) застосування LС - фільтрів в колах живлення;

3) компенсація перешкод (наприклад, використання скручених пар провідників);

4) застосування амплітудного і тимчасового стробування і т.д.

До конструкторських методів відносяться:

1. зменшення числа конструкторсько-технологічних типів ліній зв'язку в одному колі;

2. ослаблення паразитного зв'язку за рахунок:

рознесення джерел і приймачів перешкод

ортогонального розташування провідників в сусідніх шарах друкованої плати,

зменшення довжини взаємодіючих ділянок ліній,

використання матеріалів з малою діелектричною проникністю;

3. збільшення числа точок заземлення і перетину шин живлення;

4. часткове екранування друкованої плати, або введення міжобмоткових екранів в трансформатори;

5. зменшення розмірів контактних з'єднань, наприклад, шляхом заміни роз'ємних з'єднань на нероз'ємні, зокрема, еластомерні.

До технологічних методів відносяться:

1) збільшення однорідності ліній одного технологічного виконання (друкований провідник, коаксіальний кабель і т. д.);

2) зменшення розкиду параметрів елементів схеми завдяки виготовленню їх в єдиному технологічному циклі (наприклад, пара транзисторів схем електросмужкових ліній);

3)освоєння виробництва виробів з поліпшеними властивостями (кабельних виробів з екраном, еластомерних контактів).

При розміщенні конденсаторів фільтрів в колах живлення цифрових (логічних) ІС користуються рекомендаціями керівного технічного матеріалу по застосуванню даної ІС. При використанні часткового екранування друкованої плати коефіцієнт ємнісного зв'язку Кс зменшується при введенні як заземленого провідника (зменшується С_пар), так і екрануючої площадок (збільшується С_л). Збільшення перерізу шин живлення досягається при використанні навісних шин шаруватої конструкції, або окремих шарів друкованої плати як шини з нульовим потенціалом. Шари можуть виконуватися у вигляді суцільних листів або сітки. При цьому в друкованих провідниках із збільшеною шириною або суцільних шарах виконують отвори, призначені для відведення газів, що виділяються при паянні. Для збільшення міцності зчеплення провідників з основою плати типу ДДП в платі роблять додаткові металізовані отвори.

Для підвищення технологічності електричних з'єднань потрібно вибирати такі елементи (наприклад, ТТЛ), щоб допуски на розкид параметрів ліній зв'язку були як можна більшими, число типів з’єднань - як можна меншим (наприклад, тільки друкований монтаж і монтаж одиночним об'ємним дротом). При виборі способів міжконтактної комутації і контакту треба прагнути використовувати групові технологічні процеси (друкований монтаж, плоскі кабелі, групові методи контактування) і автоматизовані методи (монтаж накруткою, стібковий монтаж з паяним контактом і зварюванням, паянням хвилею припою і т. д.). Особливу увагу необхідно звертати на те, щоб подальші технологічні дії не внесли негативного впливу на результати попередніх операцій. Так, якщо здійснюють паяння декількох близько розташованих контактів однієї лінії зв'язку, то кожна подальша пайка повинна здійснюватись більш легкоплавким припоєм для уникнення руйнування попередніх пайок. Те ж саме відноситься до герметизації корпусу паянням або зварюванням, якщо всередині знаходяться чутливі до перегріву елементи. В цьому випадку можна здійснити тепловідвід від корпусу, що виключає перегрів елементів всередині корпусу.

При розробленні конструкції електричних зв'язків необхідно звертати увагу на можливість доступу до окремих частин при виготовленні і ремонті без повного розбирання. Для цього окремі частини підключають за допомогою роз'ємних з'єднувачів і допускається розгерметизація і повторна герметизація гермокорпусів.

Електромагнітна сумісність аналогових вузлів.

Аналогові вузли (радіопередавальні пристрої, аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі, пристрої управління виконавчими механізмами і т. д.) мають ширші, ніж цифрові вузли, діапазони зміни параметрів електромагнітних сигналів: амплітуди напруги (від 10^-6 до 10⁴ В), частоти (від 0 до 3000 ГГц), потужності (від 10 Вт до сотень мегават), а також гірше відношення сигнал-шум. Це ускладнює забезпечення електромагнітної сумісності аналогових вузлів РА, яке повинне здійснюватися вже на етапі проектування, оскільки вартість робіт по забезпеченню параметрів РА на цьому етапі менша вартості робіт по забезпеченню електромагнітної сумісності на етапі виробництва або випробування (відладки) апаратури.

Механізм спотворення і затухання сигналів, а також появи перешкод в аналогових вузлах такої ж, як і в цифрових вузлах. Проте, електрично довгі лінії мають місце в аналогових вузлах лише для діапазону НВЧ, а в діапазоні ВЧ переважають лінії електрично короткі. У них найбільший вплив мають паразитні зв'язки, характер яких залежить від відстані r між джерелами і приймачами перешкод. Коли це відстань менше п'яти довжин хвиль самої високочастотної складової спектру сигналу, спостерігається переважання електричної (Е) або магнітної (H) складової електромагнітного поля і відповідно ємнісного або індуктивного паразитного зв'язку. Звичайно, це має місце на частотах 0...3000 Гц.

Напруженість ближніх електричного і магнітного полів у вільному просторі обернено пропорційна квадрату відстані від елемента що його збуджує, а напруженість поля випромінювання обернено пропорційна першій степені відстані. Напруга на кінці дротяної лінії або хвилеводу із збільшенням відстані спадає повільно, за винятком випадку стоячих хвиль в лінії, коли невеликі зміни відстані можуть приводити до значного збільшення або зменшення напруги. Отже, при малих відстанях (r ≤5λ) діють всі чотири види зв'язку (індуктивний, ємнісний, через електромагнітне поле, через провідники і хвилеводи). Із збільшенням відстані r (r >5λ) перш за все зникають зв'язки через ближнє електричне і магнітне поля, потім перестає впливати електромагнітне поле випромінювання і на великій відстані впливає тільки зв'язок по дротах і хвилеводах. Якщо корпус аналогового вузла має коробчату форму, то за відсутності екрануючих перегородок і виступаючих елементів його можна розглядати як хвилевід, по якому з малим затуханням розповсюджуються хвилі коротші за критичну (λкр = 2b, де b - розмір більшої сторони поперечного перерізу корпусу). Хвилі довші за критичну в корпусі розповсюджуватися не можуть, і в ньому існує поле, яке спостерігається в безпосередній близькості від джерела випромінювання і швидко затухає в міру віддалення від нього. Явище передачі енергії по корпусу пристроїв НВЧ в хвилевому режимі можна усунути, встановивши перегородки всередині корпусу.

Електромагнітна сумісність аналогових вузлів забезпечується системотехнічними, і конструкторсько-технологічними методами. До системотехнічних методів відносяться передача аналогової інформації в цифровій формі і кодування її за допомогою завадозахисних кодів, до схемотехнічних - збільшення завадостійкості схем (виключення необґрунтованого використання елементів із завищеною робочою частотою, застосування схем на основі диференційних підсилювачів), гальванічна розв'язка кіл за допомогою трансформаторів або оптронів, придушення завад за допомогою режекторних фільтрів, використання амплітудного і тимчасового стробування, іскрогасячих кіл у розривних контактів, прецизійних (наприклад, малошумних) елементів і т.д. Хоча застосування системотехнічних і методів схемотехніки приводить до ускладнення схем, збільшення числа елементів, в тому числі дефіцитних. В результаті ускладнюється і дорожчає РА, що оправдано лише тоді, коли проблему ЕМС неможливо розв’язати конструкторсько-технологічними методами.

Конструкторсько-технологічні методи забезпечення електромагнітної сумісності аналогових вузлів.

У широкосмугових підсилювачах високої і проміжної частоти, що працюють на частотах в десятки мегагерц, струми які протікають в поверхневому шарі корпусу можуть бути причиною значного погіршення стійкості підсилювача.

Для усунення зворотних зв'язків по корпусу підсилювача необхідно всі елементи, дроти і точки приєднання до нього, що відносяться до виходу і входу двох сусідніх активних приладів, розташовувати тільки в проміжку між ними, по можливості ближче до подовжньої осьової лінії (рис.14.1).

Рис.14.1. Схема розташування елементів в широкосмуговому підсилювачі:

П1-П3 – підсилювальні пристрої каскадів; 1-3 – елементи відповідних каскадів;

1-2, 2-3 – елементи міжкаскадних зв’язків.

Елементи зв'язку і точки приєднання до корпусу, що відносяться до кіл одного підсилювального пристрою, слід розташовувати якомога ближче до його поперечної осі. Між підсилювальними пристроями, навіть на досить великій відстані від подовжньої осі, неприпустимо розміщувати деталі, зв'язки і точки приєднання до корпусу, що відносяться до інших каскадів даного підсилювача. Всі ці умови виконуються найкраще, якщо каскади розташовуються один за одним на одній лінії. Така конструкція називається лінійкою.

При автоматичному розміщенні елементів на платі аналогового вузла забороняється покращувати розміщення елементів шляхом перестановки їх місцями, що допускається для елементів цифрових вузлів. Для зменшення перехідного опору контакту заземлення і підвищення його стабільності доцільно виконувати його у вигляді монолітного (паяного або зварного), а не притискного або роз'ємного з'єднання. Ефективним шляхом зменшення довжини загальних ділянок є використання окремої шини з нульовим потенціалом для кожної групи кіл: слабосигнальних, з сигналами середньої і великої потужності. Так, в електронному пристрої шини з нульовим потенціалом (земляні шини) повинні виконуватися окремо для вхідних кіл приймача, виконавчих кіл автоматики і вихідних каскадів передавачів.

Забезпечення електромагнітної сумісності аналогових вузлів екрануванням

Якщо при розробці конструкції аналогового вузла вказані заходи по забезпеченню електромагнітної сумісності виявляться недостатніми, то здійснюють екранування, що зменшує перехресні перешкоди в необхідне число раз. Проте, це збільшує складність апаратури, її габарити, масу, вартість. Екранування полягає в локалізації електромагнітної енергії в певному просторі. Поглинаючи і відбиваючи потік електромагнітної енергії, створюваної джерелами поля, екран відводить його від області, що захищається. Ефективність екранування (Е) - це відношення напруг, струмів, напруженості електричного і магнітного полів в екранованому просторі за відсутності та наявності екрану:

У техніці провідного зв’язку цю величину оцінюють у неперах (Нп): В=lnE, а в радіотехніці - в децибелах (дБ); А=20 lg Е. Причому, В= 0.115 А, А= 8.7 В.

У ближній зоні (на низьких частотах) здійснюють екранування електричної або магнітної складової поля, а в дальній зоні (на високих частотах) - електромагнітного поля. При конструюванні необхідно ясно представляти фізику роботи електростатичного, магнітостатичого і електромагнітного екранів.

Електростатичне екранування базується на замиканні електричного екрану (паразитної ємності) на шину з нульовим потенціалом (корпус, “землю”).

При виконанні електростатичного екрану у вигляді суцільної замкнутої поверхні ємність С_пар→ 0 і Е→∞. У реальних конструкціях є отвори для доступу всередину екрану, і оцінити ємність С_пар можна тільки експериментально. Проте, якщо отвори і щілини в електростатичному екрані співрозмірні з довжиною хвилі електромагнітних коливань, то через них може проникати електромагнітне поле.

Ефективність екранування електростатичного поля не залежить від товщини і металу екрану, оскільки струми, що протікають по ньому, малі. Часто електростатичні екрани виконують у вигляді тонкого шару металізації діелектрика (нижньої сторони металокерамічного корпусу ІС, пластмасового каркасу екрану котушок індуктивності). У трансформаторах часто електростатичний міжобмотковий екран виконують у вигляді незамкнутого кільця з мідної фольги або обмотки, один кінець яких сполучений із “землею”.

Магнітостатичні екрани застосовують для захисту від постійного і повільно змінних магнітних полів (частотою 0...1000 Гц). Їх виготовляють з феромагнітних матеріалів (пермалой, сталь, ферити) з великою відносною магнітною проникністю. Товщина екрану з металу складає 0,5...1,5 мм. За наявності такого екрану силові лінії магнітного поля Н проходять, в основному, по його стінках, які володіють малим магнітним опором в порівнянні з опором повітряного простору біля екрану (ефект поглинання). Ефективність екранування таких полів залежить від магнітної проникності екрану і його товщини, а також від наявності стиків і швів, розташованих перпендикулярно силовим лініям магнітного поля. Цей вид екранування називається магнітним шунтуванням і дає порівняно невеликий і практично однаковий екрануючий ефект у всьому діапазоні НЧ.

Із зростанням частоти зростає роль вихрових струмів, відбувається витіснення магнітного поля з товщини екрану, що еквівалентне зменшенню магнітної проникності, і екран переходить в електромагнітний режим роботи. Магнітний екран однаково придатний для захисту від дії зовнішнього магнітного поля і зовнішнього простору від магнітного поля, створеного джерелом усередині екрану.

Рекомендації по екрануванню постійних магнітних полів:

застосовувати матеріали з можливо вищою магнітною проникністю; уникати в конструкції екрану стиків і швів з великим опором на шляху магнітних силових ліній поля перешкод;

не допускати кріплення елементу, що екранується, і оболонок екрану сталевими деталями, які можуть утворювати шляхи з малими магнітними опорами для магнітних силових ліній поля перешкод;

підвищувати ефективність екрану, застосовуючи матеріали з великим значенням  або багатошарові конструкції тонких екранів, не збільшуючи товщину.

Наприклад, якщо замість сталі узяти пермалой з =5000, то при тій же товщині екрану ефективність екранування зростає в 3...5 раз. Конструктивно відстань між екрануючими оболонками приймають рівним відстані між першою оболонкою і найближчим краєм об'єкту, що екранується.

Електромагнітне екранування застосовують на частотах вище 3000 Гц. Екрани виготовляють з немагнітних і феромагнітних металів, що дає одночасне ослаблення електричної і магнітної складових поля. Спрощено суть екранування зводиться до того, що під дією джерела електромагнітної енергії на стороні екрану, зверненій до джерела, виникають заряди, а в його стінках - струми, які створюють в зовнішньому просторі поля, по напруженості близькі полю джерела, а по напряму - протилежні йому. У результаті, всередині екрану відбувається взаємна компенсація полів, а зовні його - витіснення зовнішнього поля полями вихрових струмів (ефект віддзеркалення). Крім того, відбувається поглинання поля за рахунок втрат на джоулеву теплоту (при протіканні вихрових струмів по стінках екрану) і на перемагнічування (якщо екран виконаний з феромагнітного матеріалу). Сталь і на високих частотах дає більший екрануючий ефект, ніж немагнітні матеріали, проте треба враховувати, що сталевий екран може вносити значні втрати через свій великий питомий опір і явище гістерезису.

Густина вихрових струмів зменшується в металевому екрані від поверхні в глиб його. Це зменшення тим більше, чим вища частота поля і чим більше питомий опір матеріалу екрану. За глибину проникнення 6 прийнята відстань, на якій густина струму менше, ніж на поверхні, і е раз (1/2,72), тобто, складає 0,37 густини і напруженості на поверхні. Починаючи з частоти 10⁴ Гц екран з будь-якого металу товщиною 0,5 ... 1,5 мм діє достатньо ефективно, а на частотах вищих 10 МГц. Мідна або срібна фольга товщиною 0,1 мм дає значний ефект екранування, що робить доцільним використання фольгованого діелектрика. При виборі матеріалу екрану і його товщини необхідно враховувати не тільки електричні властивості матеріалу, але і його механічну міцність, масу, корозійну стійкість.